(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波路を具備する半導体構造であって、前記半導体構造は、複数の層を具備し、少なくとも１つの層は、前記導波路を規定するため部分的に酸化されかつ該導波路の両側に位置する横方向の酸化物質を具備し、前記横方向の酸化物質は、前記構造内で導波路を形成するために前記構造とともに前記横方向の有効屈折率を変更し、前記構造は量子ドットをさらに具備し、前記量子ドットは、前記導波路の下部に積層される層内に位置し、かつ該導波路内に複数の光子を放出し、前記導波路は単一量子ドットからの出力を導き、前記導波路は、該導波路の幅方向の断面から見た場合、積層方向にテーパー形状である半導体構造。
【請求項２】
前記構造はメサを具備し、前記量子ドットは前記メサを通る中心線にそって提供される請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
電気接点をさらに具備し、前記電気接点は前記単一量子ドットに複数のキャリアを供給する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記電気接点は前記単一量子ドットに複数のキャリアのみを供給する請求項３に記載の半導体構造。
【請求項５】
前記量子ドットの照射を許容するために前記単一量子ドットに合わせられるアパーチャをさらに具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項６】
前記デバイスは、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＰまたはＩｎＡｌＡｓから選択される少なくとも１つの化合物を具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記導波路は、１つの単一伝搬モードが形成される請求項１に記載の半導体構造。
【請求項８】
前記導波路は、１組のクラッド層の間に垂直に位置し、前記導波路は部分的に酸化する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項９】
複数の光子を受信するコンポーネントをさらに具備し、前記導波路は、前記複数の光子を前記コンポーネントへ導く請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１０】
前記コンポーネントは、複数の光子の吸収のための複数の層を具備する検出器である請求項９に記載の半導体構造。
【請求項１１】
前記検出器は、電気的出力がキャリア増倍を経て複数の入射光子の検出で生成されるように、複数の電気接点、吸収層、および複数の量子ドットを具備する請求項１０に記載の半導体構造。
【請求項１２】
ビームスプリッタを具備し、前記ビームスプリッタは、少なくとも１つの層内に提供されかつ酸化物質により前記層の平面内に横方向に閉じ込められる第１および第２導波路を具備し、前記導波路は導波路の長さに沿って少なくとも１つの点で結合される請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１３】
乱数発生器を具備し、前記乱数発生器は、５０／５０スプリッタとして動作する前記ビームスプリッタを具備し、光子源は前記第１導波路の一端に結合され、検出器は前記第１導波路の他端に結合され、第２検出器は光子が出射する前記第２導波路の一端に結合される請求項１２に記載の半導体構造。
【請求項１４】
干渉計を具備し、前記干渉計は、少なくとも１つの層内に提供されかつ酸化物質により前記層の平面内に横方向に閉じ込められる第１および第２導波路を具備し、前記導波路は導波路の長さに沿って２点で結合され、移相素子が前記結合する２点間で少なくとも１つの導波路に提供される請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１５】
移相素子を具備し、前記移相素子は、前記導波路の一部で電界に作用する電気接点を具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１６】
移相素子を具備し、前記移相素子は、前記導波路の一部で屈折率を部分的に変えるために前記導波路に近接する光子キャビティを具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１７】
光子トランジスタを具備し、前記トランジスタは、前記導波路の一部で前記屈折率を部分的に変えるために前記導波路に近接する光子キャビティを具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１８】
フィルタを具備し、前記フィルタは、前記導波路にわたって提供される複数の対面ミラーを具備する請求項１に記載の半導体構造。
【請求項１９】
頂点で接続される第１および第２直交導波路と、前記頂点で提供されるエンタングル光子の源とを具備する請求項１に記載の半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に量子光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子光学の分野は、量子暗号、量子計算および他の光子に基づく技術における進歩が高まるにつれ、ますます商業的に関連するようになっている。典型的にそのような技術は、光子生成が起こる第１セクション、光子操作が起こる第２セクション、光子検出が起こる第３セクションを含む。自由空間を用いるこれらのシステム間の光子の移動は、そのような自由空間システムが大きく、慎重なアラインメントおよびよい機械的安定性を要求するという点で不都合を与える。ファイバー光学は、これらの問題を低減するが、光の生成、操作および検出は、ファイバーに、いくつかの他のオプトエレクトロニクスデバイスがピグテイル（pigtail）であるべきことをしばしば要求する。
【０００３】
サイテーション・リスト
Park et. Al "Low-Threshold Oxide-Confined I .3pm Quantum-Dot Laser", IEEE Photonic Technology Letters Vol 13, No.3, March 2000.   
US 5403 775
【図面の簡単な説明】
【０００４】
本発明は、以下の制限しない実施形態を参照して記述されるだろう。
【図１】図１は、酸化により形成される導波路を含む半導体構造の概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に従う、構造を製造するために用いられてもよい酸化処理の概略図である。
【図３】図３ａは、テーパー状の酸化断面（tapered oxide profile）の追加を備える図１のデバイスの層構造を示す導波路を備える半導体構造の概略図であり、図３ｂは、図１のデバイスの横方向位置に対する屈折率に関するプロットである。
【図４】図４ａは、横および垂直の光閉じ込めが酸化物質（oxidised material）を用いて提供される導波路を備える半導体構造の概略図であり、図４ｂは酸化可能な物質の酸化前の図４ａのデバイスの層構造を示す。
【図５】図５（ａ）から５（ｃ）は、本発明の実施形態に従うデバイスの製造における製造段階を概略的に図示する。
【図６】図６（ａ）から６（ｅ）は、本発明の実施形態に従うデバイスでのバリエーションを示す。
【図７】図７は、量子光学プロセスの基本的段階を示す概略図である。
【図８】図８ａは、導波路に位置する光子源を含む本発明の実施形態に従う半導体構造の概略図であり、図８ｂは、光子が光子源から導波路へエバネセントに移動する導波路および光子源を含む本発明の実施形態に従う半導体構造の概略図であり、図８ｃは、円形導波路に光子源を有する本発明の実施形態に従う半導体構造である。
【図９】図９は、２つの直交導波路を有する光子源の概略図である。
【図１０】図１０ａは、水平に結合された導波路の概略図であり、図１０ｂは、垂直に結合された導波路の概略図である。
【図１１】図１１ａは、エバネセントに結合される水平に結合された導波路の概略図であり、図１１ｂは、垂直に結合された導波路の配置である。
【図１２】図１２ａは、導波路と移相器とを有する半導体構造の概略図であり、図１２ｂは、導波路の屈折率を変えるために導波路の近くに位置するキャビティ（cavity）および導波路を備える半導体構造の概略図である。
【図１３】図１３は、乱数発生器またはハンブリーブラウントゥイス（Hanbury-Brown Twiss）干渉計を生成するための、半導体構造のレイアウトの概略図である。
【図１４】図１４は、量子暗号に用いることに適するオンチップ干渉計の概略図である。
【図１５】図１５は、光子トランジスタの概略図である。
【図１６】図１６は、光学フィルタ素子の概略図である。
【図１７】図１７は、半導体構造が光ファイバーに結合されることを可能にする配置の概略図であり、図１７（ａ）は平面図であり、図１７（ｂ）および（Ｃ）は断面図である。
【図１８】図１８は、分離チップの中へ１つの導波路からの放射を結合するためのウェハ接合（wafer bonding）手法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
一実施形態によれば、導波路を具備する半導体構造が提供され、前記半導体構造は、複数の層を具備し、少なくとも１つは部分的に横方向に酸化し、前記横方向の酸化物質は、前記構造内で導波路を形成するために前記構造内の横方向の有効屈折率を変更し、前記構造は、量子ドットをさらに具備し、前記量子ドットは、前記導波路内に光子を放出し、前記導波路は、単一量子ドットからの出力を導く。
【０００６】
したがって、単一の集積コンポーネントでは、光子源は、導波路を用いて、その出力が源から離れて導かれるように提供される。導波路は酸化によって形成される。
【０００７】
実施形態では、そのような導波路は、単一の伝播光学モードだけが生成されるような以下の制限で生成されるだろう。
【０００８】
屈折率ｎ１を備えるクラッド領域、および屈折率ｎ２を有しかつ幅２ｄの導波路コアを含む単純な対称平面導波路を考慮する。導波路は、次の式を同時に満たすことが要求される。  
（ａｄ）２＋（ｂｄ）２＝（ｎ２２−ｎ１２）ｋ０２ｄ２、および、ａｄ＝ｂｄｔａｎ（ｂｄ）  
ここで、ａ、ｂは、未定の定数であり、ｋ０＝２π／λであり、λは動作波長である。
【０００９】
単一モード動作に関して、許容できる解は、０＜√（ｎ２−ｎ１）ｋ０ｄ＜πを満たす。
【００１０】
酸化物質が形成される複数の層または１つの層は、Ａｌ含有量が７０％より多い、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＡｌＰあるいはＡｌＡｓＳｂのような物質を含む。
【００１１】
この構造の酸化において、層は、横方向、すなわち露出した端から内部へ部分的に酸化する。これは、酸化物材料に囲まれる狭いチャネル、円あるいは他の形状の形成を許容する。これは、導波路が生成されることを許容する。チャネル、円などのサイズは、酸化時間を用いて慎重に制御しうる。
【００１２】
酸化層内のＡｌ含有量を変えることによって、酸化プロセス中に達成されうる酸化の範囲を変えることが可能である。これはより低いＡｌ含有量を有する層が酸化するからであり、したがって、より慎重に制御されうる。いくつかの実施形態では、酸化した領域の結果となる断面を制御するために、可変の酸化率が存在するようにＡｌ濃度を変えることを備える層が用いられてもよい。
【００１３】
光子は、酸化後の周囲の層の有効屈折率と比較して、高い有効屈折率の領域に閉じこめられた前記導波路構造内の光導波モードを下って伝送され、前記光学モードは、面外方向における導波路領域内に強く閉じ込められる。光学モードはまた、酸化領域間で規定された領域に横方向に閉じこめられる。前記導波路層に近接するこれらの酸化領域の存在は、導波路構造全体における有効屈折率を構造の平面にわたって変えるだろう。光学モードはその後、有効屈折率における前記変化によって横方向に閉じこめられる。
【００１４】
代替となる実施形態では、光学モードは、酸化物質の領域間の横および垂直方向の両方に閉じこめられてもよい。導波路は、１組のクラッド層間で、垂直に位置してもよく、前記導波路はそれ自体部分的に酸化する。
【００１５】
上に述べたように、上記の導波路は、光子を光子源から遠ざけて導くために用いられる。導波路は、これらの光子をさらに操作するか、またはさらなるコンポーネントにそれらを導くために追加的に用いられてもよい。
【００１６】
さらなるコンポーネントは、光子を受け取ってもよく、前記導波路は、前記コンポーネントへ前記光子を導く。前記さらなるコンポーネントは、光子の吸収のために構成される複数の層を含む検出器であってもよい。前記検出器は、電気的出力がキャリア増倍を経て入射光子の検出で生成されるように、複数の量子ドット、吸収層および複数の電子接点を含んでもよい。
【００１７】
光子源では、能動（active）コンポーネントは、導波路が量子ドットによって放射された複数の光子を導くように導波路に十分に接近するか導波路内に埋め込まれた、半導体量子ドットである。前記量子ドットの空間位置は、導波路構造が量子ドットに対して正確に位置するように導波路製造に先だって識別されるだろう。前記量子ドットの位置は、それらが予め定められた位置に形成されるように成長した量子ドットの利用のうちの、未加工の半導体ウェハの研究によって識別されうる。
【００１８】
導波路の中に放射する光子源および単純な導波路を備える実施形態では、構造はメサを含み、前記量子ドットは前記メサを介して中心線に沿って提供される。一実施形態では、単一の能動半導体量子ドットは、前記導波路に空間的に合わせられる。単一の能動半導体量子ドットは、前記導波路にスペクトル的に一致してもよい。
【００１９】
さらなる実施形態では、構造は、電気接点を含み、前記電気接点は、前記単一量子ドットに複数のキャリアを供給する。接点は、前記電気接点が単に前記単一量子ドットにのみ供給するように構成されてもよい。
【００２０】
そのような実施形態では、量子ドットは、光子を生成するために光学的に励起されてもよく、構造は、前記ドットが照射されるように前記単一量子ドットが合わせられるアパーチャをさらに含む。
【００２１】
光子源は、導波路に隣接して提供され、光子源と導波路との間のエバネセント結合を許可するために位置されてもよい。代替となる実施形態では、光子は、円形導波モードに結合することができる。
【００２２】
さらなる実施形態では、２つの直交導波路が、１組からの１つの光子が第１導波路を経て出射し、他の光子が第２導波路を経て出射するように、エンタングル光子源に結合される。例えば、前記構造は、頂点で接続される第１および第２直交導波路と前記頂点で提供されるエンタングル光子の源とを含んでもよい。
【００２３】
結合された導波路を用いてスプリッタおよびカプラを形成することが可能である。導波路は、それらが同じ平面内に提供される場合に水平に結合され、または、それらが複数の層に提供される場合に垂直に結合されてもよい。一実施形態では、結合された導波路は、エバネセント結合を導波路間で起こさせるために、それらの長さに沿って少なくとも１点で互いに十分に接近する。一実施形態では、前記構造は利得も吸収領域も含まない。
【００２４】
それゆえ、１つの導波路中を進んでいる光子は、ある点で他の導波路に移動してもよいし、移動しなくてもよい。同様に、両方の導波路中で移動する光子は、これらの結合点で混じってもよい。
【００２５】
一実施形態では、移相素子は、屈折率の局所的変更をもたらすために、キャビティ（cavity）、吸収体または加温パッドを導波路の近くに置くこと、または、電気接点などを用いて屈折率の変更を電気的に導くことのどちらかによって、形成される。
【００２６】
最善のビルディングブロックを用いて、以下を提供するために、本発明の実施形態に従ってデバイスを操作することが可能である。  
１．  オンチップ量子乱数発生器  
２．  ある導波路へのオンチップ光子ガイド  
３．  オンチップハンブリーブラウントゥイス測定  
４．  オンチップ量子暗号  
５．  光子トランジスタ  
６．  オンチップ光子フィルタ  
７．  ファイバー結合  
８．  チップ間結合を用いた輸送を改善
乱数発生器などを実現するために、上述のようなビームスプリッタは、５０／５０スプリッタとして動作し、光子源は、前記第１導波路の一端に結合され、検出器は前記導波路の他端に結合される。第２検出器は、光子が出射すると予測される前記第２導波路の一端に結合される。
【００２７】
さらなる実施形態では、少なくとも１つの層で提供され、酸化物質により層の平面内の横方向に閉じこめられる第１および第２導波路を含む干渉計が提供され、前記導波路は、前記結合点間で少なくとも１つの導波路に提供される移相素子の長さに沿って２点で結合される。２つの結合点間の距離である干渉計の導波路の２つのアームは、要求に依存して同じ長さまたは異なる長さであってもよい。量子暗号については、上記の干渉計は、光子を時間および位相でエンタングルするために用いられてもよく、この場合、アームは異なる長さになるだろう。光子ガイドについては、アームは、０°位相ずれとπ位相ずれとの間で位相素子を切り替えることが異なるアームにより放射している光子となる同じ長さであってもよい。
【００２８】
さらなる実施形態では、光子フィルタは上記の配置を用いて提供されてもよい。前記フィルタは、前記導波路にわたって提供される、複数の対面ミラー（opposing mirror）を含む。前記ミラーは、前記導波路のエッチングにより提供されてもよい。そのようなフィルタは、ファブリペロー（fabry-perot）エタロンの役目を果たす。
【００２９】
一実施形態によれば、導波路を含む半導体構造を製造する方法が提供され、前記方法は、複数の層の１つに量子ドットおよび酸化可能な層を組み込む複数の半導体層を形成し、前記量子ドットに合わせられた前記酸化可能な半導体層におけるパターンをエッチングし、前記酸化物質の存在に起因して、有効屈折率変化によって横方向に制限される導波路を生成するために前記酸化可能な半導体層を酸化し、前記量子ドットは、前記量子ドットが複数の光子を前記導波路に出力するように前記導波路に合わせられることを含む。
【００３０】
図１は、酸化によって形成される導波路を有するデバイスの概略図である。この図は、導波路を形成するために用いられる処理ステップを説明するために用いられる。
【００３１】
デバイスは、基板１上に形成される。この例では、基板はＧａＡｓであるが、他の基板も用いられうる。その後、層構造３は成長する。この特定例では、層構造は、下部ブラッグ（Bragg）ミラー５、ＧａＡｓ層７、ＡｌＡｓを含む酸化層９を含む。この酸化層９中のＡｌ含有量は、全ての化合物に対してＡｌ＞７０％で起こる層の酸化を許容するためである。上部ブラッグミラー１１は、酸化層９に上に重なって形成される。
【００３２】
この特定例において、酸化層はＡｌＡｓであるが、他の構造は、Ａｌ寄与が７０％より大きいと仮定することが可能である。システムは任意のIII／Ｖシステムである。
【００３３】
酸化層９は典型的に、ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓとを含むが、Ａｌ含有量が７０％よりも多いＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＰもまた含んでもよい。導波路を囲む酸化可能でない層は、Ａｌ含有量が７０％よりかなり少ないアンチモン化物、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、リン化物を含んでもよい。
【００３４】
導波路を製造するために、構造は、導波路に適した外形を形成するためにエッチングされる。この特定例において、メサは、長いリッジ（ridge）の形である。
【００３５】
これは、フォトリソグラフィーあるいは電子ビームリソグラフィーのような標準技術の１つを用いて構造をパターンニングし、フォトリソグラフィーあるいは電子リソグラフィーマスクを経て、その後ドライエッチング手法またはウェットエッチング手法のどちらかを用いて所望の形状にエッチングすることによって実現される。ドライエッチングは、エッチング後に垂直の側壁を提供する。エッチングは、酸化層９を完全に通過しなければならない。
【００３６】
その後、フォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーマスクは除去され、湿式酸化法が行なわれる。これは、約４００°Ｃで炉において、エッチング構造を流通蒸気（flowing steam）にさらすことにより達成されてもよい。プロセス温度は３８０°から４５０°Ｃまで変えることができる。
【００３７】
図２に示される種類の装置が用いられるだろう。
【００３８】
図２の装置では、加熱マントル２１が提供される。加熱マントルは、脱イオン化された水が供給される加熱マントル２１に第１吸気ポート２３を有する。Ｎ２ガスはその後、第２入力／出力ポート２５を通って加熱マントルに提供される。
【００３９】
スチームはその後、入口／出口ポート２５から出て来る。スチームはその後、環状炉（tube furnace）２７に与えられる。酸化するべきサンプル構造２９は、環状炉２７内に位置する。ガスは、環状炉のポート３１から排気される。
【００４０】
酸化は酸化層９に影響する。酸化は、露出した側壁４１を通じて横方向に進む。酸化領域がメサ４２へ侵入する限度は、酸化していない物質のコア４３が酸化層９の中間で残るように酸化時間を調節することで制御される。
【００４１】
前記酸化していないコアによって規定される導波路の中央部分は、それを囲む酸化領域と比較して比較的高い有効屈折率を有し、結果としてこの領域への光学モードの閉じこめになる。モードもまた、ブラッグミラーによって領域に垂直に閉じこめられる。これは、構造の長さに沿って光を導かせることを可能にする。この酸化していないコアの幅および酸化層９およびＧａＡｓ層７の厚さは、導かれるべき光の波長と一致させるために調整される。
【００４２】
発明者は、〜９０％のＡｌ含有量を備える領域、または酸化層を用いることによって、制御がＡｌＡｓ酸化層に関して改善できることを見いだしている。これは酸化速度を減少させ、よって、酸化時間におけるより高い時間精度を可能にさせる。
【００４３】
単一のＡｌＡｓ酸化層は、４００°Ｃの酸化温度で〜１μｍ／ｍｉｎの割合で酸化するだろう。同様の厚さのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓの層は、〜０．５μｍ／ｍｉｎの割合で酸化する一方、同様の厚さのＡｌ０.９８Ｇａ０.１０Ａｓの層は、〜０．１μｍ／ｍｉｎの割合で酸化するだろう。
【００４４】
酸化後に、乾燥した大気中における短いアニールが必要かもしれない。これは、図１に示される構造を生成する。
【００４５】
導波路の他の形は後の記述で説明する。
【００４６】
酸化層９は、導波路コアでの酸化層の断面で制御を与える可変レートで酸化するだろうＡｌ含有量が変化する２以上の層をさらに含んでもよい。
【００４７】
図３ａは、多層領域の選択的酸化によって、導波路を形成するための構造における屈折率分布を設計するさらなる半導体構造を示す。
【００４８】
構造はＧａＡｓ基板５１上で形成される。次に、下部ブラッグミラー５３は、基板５１に重なって接して形成される。次に、ＧａＡｓ層５５は、下部ブラッグミラー領域５３に接して形成される。次に酸化領域５７は、ＧａＡｓ層５５に重なって接し、次に上部ブラッグミラー５９は、酸化領域５７に重なって接する。
【００４９】
この特定の実施形態では、酸化領域５７は、酸化がテーパー状の断面６７で酸化物領域が生成されるような、異なる組成の３つのＡｌＧａＡｓ領域（６１、６３、６５）を含む。
【００５０】
そのようなテーパーを形成するために、Ａｌ０.７Ｇａ０.３Ａｓ６１、ＡｌＡｓ６３およびＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ６５を含むだろう。
【００５１】
酸化は、薄いＡｌＡｓ層に沿って急速に進む。複数の反応物はその後、それらのＡｌ含有量に依存した割合でこの層６３から層６１および６５へ垂直に拡散し、結果として不均一な酸化となる。層６１、６３および６５の相対的な組成を調整することによって、テーパー角、それゆえ有効屈折率における横方向の変化が設計されてもよい。有効屈折率における滑らかな変化は、高い／低い屈折率界面からの光学的散乱を低減するという利点がある。
【００５２】
構造は、フォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーを用いて、図１に関して記述されるような同じやり方でパターン化される。構造は、長いリッジメサ（long ridge mesa）としてパターン化されることになる。メサ６９は、酸化層５７の側壁を露出するために、構造を通ってＧａＡｓ基板５１までエッチングされる。
【００５３】
デバイスはその後、図２に関して記述されるように酸化され、酸化は、酸化物領域７３に囲まれたコア９１を形成するために酸化層に進む。低屈折率ＡｌＯｘ層の集積は、再び構造全体の有効屈折率を変更する。これは、光子の横方向の閉じ込めが導波路６９中に実現されることを可能にする。
【００５４】
図３ａの直下に位置する図３ｂは、構造の有効屈折率断面を示す。図３ｂのＸ軸は、図３ａに示されるメサの底面に沿った距離に直接対応する。クラッド領域はコアよりも低い有効屈折率を有し、テーパー状の酸化断面のおかげで２つの間で滑らかな移行があることがわかる。
【００５５】
図４は、多くの酸化層の選択的酸化による、横および垂直方向の両方における光閉じ込めが実現されるさらなる構造を示す。
【００５６】
図４ａは、酸化前のデバイスの層構造を示す。構造は、ＧａＡｓ基板９１上に形成される。前記基板９１に接して上に重なるのが、第１酸化層９３である。前記第１酸化層９３に接して上に重なるのが、第１酸化層９３よりも低いＡｌ含有量である第２酸化層９５である。前記第２酸化層９５に接して上に重なるのが、第１酸化層９３と同じ組成である第３酸化層９７である。第３酸化層に接して上に重なるのが、ＧａＡｓキャップ層９９である。
【００５７】
この例では、第１および第３酸化層９３，９７は、Ａｌ含有量９８％を有し、第２酸化層９５は、Ａｌ含有量９５％を有する。３つの層は全て、酸化が進むために、Ａｌ含有量が７０％より多い必要がある。
【００５８】
構造は、フォトリソグラフィーまたは電子線リソグラフィーを用いて、図１に関して記述されるように同じやり方でパターン化される。構造は長いリッジメサとして、パターン化されることになる。メサは、全ての酸化層９３、９５、９７の側壁を露出するために、構造を通ってＧａＡｓ基板９１までエッチングされる。
【００５９】
デバイスはその後、図２に関して記述されるように酸化し、図４ｂに示されるように、酸化は３つの酸化層すべてに進む。第１および第３酸化層９３、９７の比較的高い含有量は、これらの層１０２の完全な酸化をもたらす。第２酸化層９５のより低い酸化率は、この層において低減されたＡｌ含有量のおかげで、部分的にのみ酸化し、光子が導かれる可能性のあるストライプの中心で酸化していないコア１０４をもたらす。
【００６０】
酸化に続いて、ＧａＡｓキャップ層９９は化学エッチングによって除去されてもよい。
【００６１】
本発明の実施形態に従って、量子ドットは導波路を備える層構造において提供され、構造は、量子ドットがその後導波路によって導かれうる光子を出力するように構成される。
【００６２】
図５ａからｃは、そのようなデバイスの基礎的な製造段階を示す。
【００６３】
図５ａでは、複数の量子ドット７０７を含む層構造が形成される。
【００６４】
層構造は、ＧａＡｓ基板７０１上に形成される。ＧａＡｓ基板７０１に接して上に重なるのが、下部ミラー層７０３である。下部ミラー層７０３は、ブラッグミラーを形成するために屈折率を対比（contrast）させるための複数の交代層を含む。この例において、前記層はＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとであるが、前記ブラッグミラーが１以上の誘電体層を組み込んでもよい。
【００６５】
下部ミラー層７０３に重なって接するのが、下部キャビティ層７０５である。下部キャビティ層７０５はＧａＡｓを含む。次に、量子ドット層７０７が形成される。ドットはＩｎＡｓから形成されてもよい。ドットを形成するために、超薄層、例えば少数のモノ層ＩｎＡｓが下部キャビティ層７０５に上に重なって堆積される。成長界面（growth interface）の負荷のおかげで、この薄層７０７は、複数の分離された量子ドットの中に形成される。
【００６６】
量子ドット層７０７に接して上に重なるのが、上部ＧａＡｓキャビティ層７０９である。上部ＧａＡｓキャビティ層７０９に接して上に重なるのが、酸化層７１１である。酸化層７１１に接して上に重なるのが、屈折率を対比させる、複数の交代層を含む上部ミラー層７１３である。この例では、前記層は再びＧａＡｓとＡＩＧａＡｓとであるが、前記層は必ずしも前記下部ミラー層７０３と同じものである必要がない。
【００６７】
構造はその後、図５ｂに示されるようなメサ７１５を形成するためにエッチングされる。メサ７１５は、それが望ましい特性を備える単一量子ドット７１７に重なるように、慎重に合わせられる。望ましい特性は、ドットからの光子放射を決定でき（resolve）、ドットが、形成されるべき導波路およびキャビティに適した波長で光子を放射することである。
【００６８】
そのような量子ドットを識別するために、ドット放射を探すフォトルミネセンス測定を用いることが可能である。いったん量子ドットが識別されたならば、その後、量子ドットの位置は、例えばレーザーリソグラフィーの利用でマークすることができる。
【００６９】
量子ドットの位置を識別するための別の可能性は、下の量子ドットに対応するウェハ表面における起伏を探すことである。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）チップを用いて、局所の酸化を用いて、ドットの位置がマークされうる。
【００７０】
別の可能性は、識別されたドットの正確な位置がマーカーに関して注目されることを可能にするマーカーで予めウェハに付けることである。
【００７１】
いったん所望のドット７１７の位置が識別されたならば、メサはその後、量子ドットに合わせられる。単一の長い導波路を生成することを望む場合、選択された量子ドットが導波路の中心軸に沿うように、メサが線引きされるだろう。
【００７２】
図５ｃは、酸化後の図５ｂの構造を示す。酸化中に、層７１１の露出した側壁は導波路コア７２１を規定するために酸化する。導波路コア７２１は、選択された量子ドット７１７の上に直接位置する。
【００７３】
層７１１の酸化は、量子ドット７１７から放射された光子のガイドがあるように、屈折率を変調するための役割を果たす。
【００７４】
上記は、１つの可能な製造配置を示すが、さらなる配置では、ドット層を経て、可能であれば下部ミラー層７０３を経て下方にエッチングすることが可能である。それゆえ、メサは層７０３まで下方に拡張するだろう。酸化するべき層において量子ドットを形成することも可能である。
【００７５】
放射を出すように量子ドットを構成するための方法で多くの変形がある。可能な１つの変形は、下層がｐ型で、上層がｎ型、またはそれらの反対であるｐ−ｉ−ｎ構造となる図７ａにおいて示される構造を配置することである。
【００７６】
図６ａ−ｅは、図５ｃの構造でのいくつかのさらなる変形である。
【００７７】
図６ａは、本発明の実施形態に従う構造のさらなる実施形態を示す。半導体構造は複数の層を含み、それらのいくつかは、構造の電気的励起を容易にするため、ｎおよびｐ型であるためにドープ（dope）されてもよい。
【００７８】
構造は、電気的および／または光学的手段のいずれかによって、その量子光源のみが励起されるように、予め決定された位置で単一量子光源を包含する。
【００７９】
量子ドットの位置は、前記源の位置を識別するためにサンプルの実験的研究、または、量子光源がそれ自体予め決定された位置に位置するような、サンプル成長中に行われた追加工程によるいずれかを通じて、デバイス製造の前に知られている。続いて、導波路の位置は、電子のような高解像リソグラフィー技術を用いて、前記量子光源に正確に合わせることができる。
【００８０】
源の図６ａの実施形態では、完成した構造における量子ドット８０１は、直接キャリア注入によって電気的に励起される。図５ａから図５ｃに関して記述されるように、半導体構造が製造される。誘電体層８０３は、酸化構造８０５上に置かれ、ミクロンあるいはサブミクロンサイズの領域に電気接点を閉じ込めるために、アパーチャ８０７でパターン化される。前記アパーチャは、選ばれた単一量子光源への電流路を制限するような大きさである。前記誘電体層８０３は、熱もしくは電子ビーム蒸発を用いて、またはスパッタコーティング処理を経て、あるガスまたはプラズマに基づく処理（ＣＶＤ、ＰＥＣＶＤ）を介して堆積された二酸化ケイ素または窒化ケイ素を含んでもよいが、これに制限されない。代替的に、前記誘電体フィルム８０３が“スピンオングラス(spin-on-glass)”のようなスピンオン誘電体、または、電子ビームもしくは深紫外線にさらすことにより連続してパターン化されてもよいスピンオン誘電体でありうる。必要ならば、前記誘電体層はその後、湿式化学エッチング、または乾式のプラズマに基づく処理のいずれかを用いて、離れてエッチングされる。
【００８１】
最後に、金属層８０９は、リフトオフ処理によって典型的にパターン化されて堆積する。前記金属層８０９は、生成されるべき電気接点の性質に依存して、いくつかの素子を含んでもよい。ｎ型半導体層と接触するために、ＡｕＧｅＮｉまたはＰｄＧｅのような金属層が採用されてもよいが、これに限定されない。ｐ型半導体と接触するために、ＡｕＢｅ、ＩｎＺｎ、またはＡｌのような金属層が用いられてもよいが、これに限定されない。それに続く熱アニールは、必要に応じて採用されてもよい。第２金属層８１１はその後、構造に下部電気接点を作るために採用される。
【００８２】
図６ｂは、図６ａの実施形態上の変化を図示する。ここで、金属接点８１５は、それがアパーチャ８１７を含むように、量子光源８１９が、そうでなければオパーク（opaque）金属膜８１５における開口（clear aperture）８１７を貫通するためにフォーカスされる光線によって光学的に励起されてもよいように、パターン化される。
【００８３】
図６ｃおよび６ｄは、デバイスの２つのさらなる実施形態を示す。図６ａおよび図６ｂにおける実施形態のように、２つの変形、１つ目はオパーク金属接点８２１であり、２つ目は組み込まれた量子光源８４５の光学的励起を容易にする光学的透明アパーチャ（optically transparent aperture）８４３を含む金属接点８４１が示される。図６ｃおよび図６ｄにおいて図示される実施形態では、誘電性領域８２３、８４７はそれぞれ、さらなる湿式酸化ステップにより生成される。誘電性環帯８２３の中心が、組み込まれた量子光源８２２の予め決定された位置と一致して直接位置するように、メサ８２５が規定される。
【００８４】
メサ８２５は、酸化層８２９を露出するためにエッチングされる。前記酸化層８２９はその後、メサの中心で酸化していないアパーチャ８３１を形成するために、メサ８２５の露出した側壁を介して部分的に酸化する。メサ８３１はその後、規定され、エッチングされ、および酸化され、製造は図５ａ−５ｃに記述される実施形態について継続する。金属層８２１および８２３はその後、図６ａに関して適用される考察に従い、ドープされた半導体層と接触するために堆積されてもよい。
【００８５】
図６ｄにおいて示される実施形態の製造は、光学的励起を可能にするために前記光学的透明アパーチャ８４３がパターン化されている前記上部金属層８４１の例外として、図６ｃに関して議論されるのと同じやり方で成し遂げられるだろう。
【００８６】
図６ｅは、図６ａから６ｄの構造の平面図を示す。
【００８７】
本発明は、集積された量子光学系を作るための利用を意図する。そのようなシステムでは、一般的に図７に示されるような３つの段階がある。光子が生成される生成１１０、光子が複数の手法を用いて操作され、フィルタ、ビームスプリッタ、干渉計などのようなコンポーネントを貫通する操作１０３、光子が最終的に検出される検出がある。セクション１０１、１０３および１０５のそれぞれの間の導波路を介して輸送を提供することが必要である。
【００８８】
図８は、部分形式操作を生成すること（generating portion form manipulation）から離れた光子の生成および移動が単一の集積チップで実現されうるような光子源を含むために、導波路を備える本発明の構造をどのように組み込むことができるかを概略的に図示する。
【００８９】
図８ａでは、光子源１２１は、図５および６に関して記述されるような導波路１２３に組み込まれる。導波路は図４に関して記述される型でありうる。
【００９０】
導波路１２１は、前に記述されるようなリッジ型のメサから形成される。単一の能動量子ドットを含む光子源はその後、導波路コアがドットに合わせられるように、前記導波路に提供される。一実施形態では、量子ドットは、ＧａＡｓ層に組み込まれ、さらなる実施形態では、酸化すべき層ではなく組み込まれる。しかしながら、ＩｎＡｓドットはまた、ＡｌＧａＡｓの上に直接成長されうる。
【００９１】
メサはその後、端の酸化領域を形成するために、ＡｌＡｓに関して酸化される。導波路１２５のコアが、光子源から放射される光子を導くために適切な幅で形成されるように、酸化の時間を計る。光子はその後、図７に提案されるような操作に関する領域に導かれうる。
【００９２】
図８ｂは、図８ａの配置での変化を示す。ここで、量子ドットを含む光子源１３１はストリップ導波路１３３の側面に提供される。
【００９３】
光子源１３１は、低容量キャビティ１３５内に提供される。低容量キャビティ１３５を出射する光子は、ストリップ導波路１３３にエバネセントに結合される。
【００９４】
半導体層構造は、上述したように酸化可能な層で形成される。典型的に、この層は、ＡｌＡｓまたは他の高いＡｌ含有量層を含む。量子ドットは、隣接するスペーサー層において提供されるだろう。
【００９５】
その後、ストライプに取り付けられた円を備える長いストライプの形である構造がエッチングされる。エッチングは、酸化層を介して拡張する。
【００９６】
構造はその後、上述したように酸化する。酸化は、キャビティ１３５を規定するために円領域に拡張する。酸化はまた、酸化領域１３９により囲まれたコア領域１３７を規定するために、さらにストライプ領域１３３へ拡張する。
【００９７】
図８ｃは、図８ｂに示されるデバイス上のさらなる変化を示す。ここで、量子ドットを含む光子源１６１は、導波路１  １６３の側面および同時に導波路２  １６５の側面に提供される。光子源１６１の層構造は、図６ｂの光子源１３１と同一である。
【００９８】
２本のストリップ導波路１６３および１６５の層構造は、図８ｂのストリップ導波路１３３のそれと同一である。図８ｂにおいて示されるデバイスにおけるように、低容量キャビティを出射する光子は、隣接したストリップ導波路１６３および１６５にエバネセントに結合される。光子源１６１とストリップ導波路１  １６３との間での結合が、光子源１６１とストリップ導波路２  １６５との間での結合と異なるようなデバイスを設計することを変更することにより、単一源から異なる放射率で２つの光子ストリームを生成することが可能となる。
【００９９】
近年、単一光子源は、エンタングル光子を生成するために用いられている。図９は、エンタングル光子を出力する量子ドットとともに用いる本発明の実施形態に従う導波路を含む半導体構造を示す。構造は、第２導波路１８３に直交する第１導波路１８１を含む。複数の導波路は、頂点１８５で接続する。量子ドット１８７は、頂点１８５に提供される。
【０１００】
デバイスは、酸化可能な酸化層である層のうちの１つを備える複数の半導体層を形成することにより形成される。量子ドットは、隣接したＧａＡｓ層に提供される。頂点１８５で接続する２つの直交したストリップを備える直角の形式であるメサは、エッチングされる。量子ドットが頂点の中心に提供されるように、メサが位置する。
構造はその後、酸化領域１９１を形成するために、図２に関して記述されるように酸化する。酸化領域１９１は、構造へ拡張し、第１および第２導波路コア幅１９３および１９５を規定する。
【０１０１】
導波路のサイズは、制御に光子源１８７から放射される光子との結合を許容させる。
【０１０２】
量子ドット１８７の中性励起状態は、わずかに異なるエネルギーで放射するサンプルの平面において、直交ダイポールを有する。両励起子または高次励起カスケードからの光子をエンタングルした極性が同じ導波路に直接結合できないように、そのようなダイポールは、それらの軸に沿って放射できない。図９の配置で、それらは２つの直交する導波路へ直接結合される。
【０１０３】
図ｌ０ａおよび図ｌ０ｂは、水平および垂直に結合された導波路の例を示す。図４から図９に関して記述されるタイプの光子源は、これらの導波路に組み込まれてもよい。
【０１０４】
図ｌ０ａおよび図ｌ０ｂは、２つの導波路を有する導波路構造を示す。導波路に関する横方向配置の可能な例は、図１１ａおよび図１１ｂに示される。導波路は、導波路が最も接近している点２０１が存在するように横方向に配置される。この点で、エバネセント結合が導波路の間で発生し得る。２つの導波路の間の結合確率は、それらの最接近の領域（干渉領域）での断面およびそれらの分離に依存する。この分離がより小さく干渉領域がより長いほど、２つの経路間で結合することの確率が高くなる。
【０１０５】
図１１ａを参照して、導波路２０３および２０５は、エバネセント結合が許容できるのに十分近い導波路２０３および２０５の曲線の最も近い点２０１を備える湾曲した配置で配置される。
【０１０６】
これは、導波路に残るかまたは点２０１で第２導波路２０５に移動されるかのいずれかに点Ａで単一導波路に入力する光子を許容し、従って、光子が点ＣまたはＤのいずれかで現れてもよい。同様に、光子が点Ａおよび点Ｂに入る場合、それらは、光子が点Ｃおよび点Ｄで出力される導波路の間で移動されるように、点２０１で混じってもよい。図１１ａは、水平に結合した導波路に関する。図１０ａは可能な層構造を示す。
【０１０７】
図ｌ０ａでは、ＧａＡｓ基板２１１が最初に形成される。続いて、層構造は、下部ブラッグ反射器２１３、前記ブラッグ層に接して上に重なるのがＧａＡｓ層２１５であり、前記ＧａＡｓ層に接して上に重なるのが、この特定の例ではＡｌＡｓである酸化層２１７であり、前記ＡｌＡｓ層に接して上に重なるのが上部ブラッグミラー２１９である。
【０１０８】
構造はメサを、形成するためにエッチングされる。メサ２２１は、湾曲したＸの形である。構造はその後、図２に関して記述されるように酸化する。酸化でのこの湾曲したＸは、図１１ａにおいて示されるような湾曲したＸの横方向の導波路配置の形成を与える。
【０１０９】
図ｌ０ｂは垂直に結合された導波路配置を示す。
【０１１０】
構造はＧａＡｓ基板２３１を含む。ＧａＡｓ基板２３１に接して上に重なるのは、形成される下部ブラッグ反射器２３３である。前記ブラッグ反射器に接して上に重なるのは、第１酸化層２３５である。第１酸化層２３５に接して上に重なるのは、第１ＧａＡｓ層２３７である。前記第１ＧａＡｓ層２３７に接して上に重なるのは、ＧａＡｓ層２３７よりも低い屈折率の酸化できない物質を含む中間スペーサー層２３９である。特にこの例では、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓである。前記中間層２３９に接して上に重なるのは、第２ＧａＡｓ層２４１である。第２ＧａＡｓ層２３９に接して上に重なるのは、第２酸化層２４３である。第２酸化層２４１に接して重なるのは、上部ブラッグ反射器２４５である。
【０１１１】
構造は、エッチングが上部酸化層２４３を貫通するが中間スペーサー層２３９を貫通しないようなメサを形成するために、エッチングされる。構造は次に、図２に関して記述されるように酸化する。構造は次に、２回目のエッチングがされ、完全に下部酸化層２３５を貫通する。構造はその後、図２に関して記述されるように、２度目の酸化がされる。
【０１１２】
酸化は拡散に基づく処理であり、かつ酸化反応の拡散はこれまでの酸化物質を介して非常にゆっくりおこなわれるので、第１酸化に続く層２４３に形成される酸化物質の横方向の範囲は、不変のままである。
【０１１３】
図ｌ０ｂの配置は、図１１ｂにおいて横方向に示される。図１１ａに関して再び記述されるように、これは点Ａで第１導波路２５１に挿入される光子が、導波路が最も接近する２０１である点で第２導波路２５３へ移動することを可能にする。同様に、光子が点ＡおよびＢでの第１導波路２５１、および点Ｂでの第２導波路２５３に入る場合、光子はその後、点２０１で結合でき、混合物は点ＣおよびＤで出力されるだろう。
【０１１４】
２本の導波路の形状、分離、およびそれ故“相互作用長”を制御することによって、光子移動は、５０：５０を含む任意の所望の分割比に調整されうる。
【０１１５】
図１２ａおよびｂは、本発明が移相素子の製造についてどのように用いられるかを示す。光子源（図示せず）が組み込まれる。
【０１１６】
図１２ａでは、電気光学効果が、屈折率を変更し、かつ導波路へ移相を導入するために用いられる。構造は、ＧａＡｓ基板３０１を含む。前記基板に接して上に重なるのは、下部ブラッグミラー３０３である。続いてＧａＡｓ層３０５が、前記下部ブラッグ層３０３に接して上に重なることで提供される。続いて酸化層が、前記ＧａＡｓ層３０５に接して上に重なることで提供される。続いてドープされた第１ブラッグミラー３０９は、前記酸化層３０７に接して上に重なることで提供される。続いてＧａＡｓ３１１を含む量子井戸層は、前記ドープされた第１ブラッグミラー３０９に接して上に重なることで形成される。
【０１１７】
続いてドープされた上部ブラッグミラー３１５は、前記量子井戸層３１１に接して上に重なることで形成される。量子ドット（図示せず）は、ＧａＡｓ層３０５内に形成される。
【０１１８】
第１および第２のドープされたブラッグミラーは、量子井戸をまたいでバイアスが変えられることを許容する。これは、量子井戸がそのエネルギー分布においてシュタルクシフト（stark shift）することを許容する。これは、吸収を引き起こすかまたは位相変化を引き起こすことにより、導波路３０５に形成されるモードの屈折率を変更する。上述されたタイプのうちのいずれかの導波路構造を形成するために、構造は、エッチングされているメサとともに、上述されたように製造される。酸化領域３１９の近くの側面にある酸化していないコア３１７が提供されるように、構造はその後、図２に記述されるように酸化する。コア３１７のサイズは、導波路が運ぶことを目的とする光子に関して慎重に制御されうる。
【０１１９】
図１２ｂは、図１２ａのデバイス上の変化を示すが、移相に再び用いられる。
【０１２０】
構造は図８ｂに関して記述されたそれに似ている。
【０１２１】
構造は、素子３５３に隣接するストライプ型導波路３５１を含む。この例において、素子はキャビティである。しかしながら、素子は光子吸収体または加熱パットでもありえる。
【０１２２】
キャビティ３５３の存在は、位相が変更されることを許容するために、導波路３５１の屈折率における局所変化を形成する。
【０１２３】
上述されたように、デバイスは、酸化する可能性のある高いＡｌ含有量を有する半導体層の構造から製造されてもよい。メサ構造はその後、線に隣接する円を備える線の形でエッチングされる。構造はその後、酸化していないコア３６１および円状キャビティを有する導波路３５３を備える図１２ｂの構造を形成するために、図２に関して記述されるように酸化する。
【０１２４】
本発明のこれらの実施形態は、多くの有用なデバイスのシングルチップ上の集積を許容する。図１３は、ハンブリーブラウントゥイス測定用のオンチップ設備またはオンチップ量子乱数発生器で生成するために用いるデバイス配置を概略的に示す。デバイスは、第１導波路４０１および第２導波路４０３を含む。導波路は、それらがエバネセント結合を与えるのに十分に接近するセクション４０５を有するように、配置される。導波路４０１の一端は、検出器４０７で終端し、第２導波路４０３の一端は第２検出器４０９で終端する。単一光子は、光子を導波路に供給する量子ドットから第１導波路４０１に入力される。光子が領域４０５に到着するとき、それは導波路４０１に残るか、または第２導波路４０３へ切り替わるかの５０：５０の機会を有する。したがって、計数は、検出器１  ４０７または検出器２  ４０９のどちらかでランダムに検出される。これは、システムが単一光子検出器として用いられることを可能にする。
【０１２５】
システムは、図１０ａおよび１１ｂに関して説明されるような、結合した導波路を用いて製造されてもよい。光子構造は、図５から図８のいずれに関して記述されるような導波路のうちの１つに提供される。
【０１２６】
検出器は、導波路と同じチップで製造されてもよい。
【０１２７】
図１３におけるシステムもまた、ハンブリーブラウンおよびトゥイス干渉計として用いられてもよい。これに関しては、プロセッサは、出力を相関しかつ統計を測定するために、検出器１および検出器２の両方に接続される。
【０１２８】
図１４は、光子をガイドするまたは量子暗号のために用いられうる配置を示す。
【０１２９】
その配置は、第１導波路４５１および第２導波路４５３を含む。光子源として動作する量子ドットは、複数の導波路のうちの１つにおいて提供される。移相素子４５５は、第１導波路４５１に提供される。第２導波路４５３は、導波路間のエバネセント結合を許容するため、導波路４５１に十分に接近する２点を有するように湾曲する。第１点４６１では、５０：５０ビームスプリッタが本質的に形成され、第２点４６３で５０：５０ビームスプリッタが形成される。図１２ａから１２ｂに関して記述されるように、結合した導波路４５１および４５３が製造されてもよい。
【０１３０】
移相素子４５５は、図ｌ０ａおよび１０ｂに関して記述されるような１つの導波路において製造されてもよい。光子が第１導波路４５１または第２導波路４５３の方へ進むかどうかにかかわらず、２つの結合点４６１、４６３間の距離が同一である場合、その後移相が移相素子４５５によって導入されない場合、光子は点ｄで第１導波路４５１および第２導波路４５３で形成される干渉計を出る。
【０１３１】
移相素子４５５が１８０°の位相差を導入すれば、光子はその後、アームｅを介して構造を出る。２つの結合点４６１、４６３の間の第１導波路４５１の長さが、第２結合点４６１、４６３の間の第２導波路の長さよりも短い場合、（およそ（ｓａｙ））点Ｄから出射する光子は、時間遅延によって２つの“時間ビン（time-bins）”に分離され、相対位相は、時間ビンエンタングル光子を生成するために移相素子４５５を用いて変えられうる。
【０１３２】
これは量子暗号における干渉計としての適用である。これらの導波路が複屈折（birefringent）であるので、それらは、時間および位相符号化を用いるときに最もよく使われる。
【０１３３】
図１５は、光子トランジスタとして用いられるような本発明を示す。光子トランジスタは、導波路に隣接する円状キャビティを備えるストライプ導波路５０１とともに、図１５に示されるように製造されうる。導波路を介した伝送は、エバネセントに結合するキャビティ５０３における光子の存在または不在によって制御される。したがって、導かれた光子は、光子トランジスタとして動作するキャビティの占有を探査することができる。導波路とキャビティとは、水平または垂直に結合されうる。
【０１３４】
ここで、キャビティの光子占有は、さらに独立した光源によって制御される。前記光源は外部光源でありうる。代替的に、前記光源は、第２の、オンチップ導波路構造でありうる。それゆえ、量子ドットは、導波路、キャビティ、または両方の構造に提供されてもよい。
【０１３５】
図１６は、光学フィルタ素子の例を示す。
【０１３６】
フィルタは、図１に関して記述されるようなストライプ導波路５１１を含む。ストライプ導波路５１１はその後、エッチングされたリッジから形成される複数のミラー５１３でパターン化される。構造は、波長のある範囲を有する光子を通すためのみに働くだろう。
【０１３７】
通過した波長の範囲は、局部加熱により変えられうる。
【０１３８】
隣接キャビティは、この構造の一部の局部屈折率を変更するために用いられうる。この場合、構造の要素は不一致になるだろうが、ある程度の調整を達成するためにこれを用いることが可能であるかもしれない。同様に、局所加熱は似たような効果を有する。光子は、前記構造に組み込まれた量子ドットを用いて提供されてもよい。
【０１３９】
図１７ａ、ｂ、ｃは、本発明に従う光子源（図示せず）を備える導波路が光ファイバーにどのように結合されるかを示す。導波路５５１は、ファイバーを観察するための導波路に合わせられるグルーブ５５７をエッチングすることにより、光ファイバー５５３に結合される。集積の後、導波路光学モード５５９は、光ファイバー５５３とともに軸上に合わせられる。
【０１４０】
チップ間結合は図１８に示される。第１チップ６０１は、第２チップ６０５の凹部６０３に直接接合される。第１チップ６０１は第１素子６０７を有し、第２チップ６０５は第２素子６０９を有する。第２チップ６０５はまた、検出器６１１を有する。第１チップ６０１は、前記第１チップ６０１上で導波路へ光子を放射する量子ドットを含む。
【０１４１】
導波路は、チップ間の効率的な光子結合を許容して、直接合わせられる。対になるべき導波路の端は、微小位置決めデバイスを用いて合わせられ、その後所定の位置に接合される。合わせられた導波路の間の隙間（void）は、エアギャップとして残されてもよい。または、屈折率が一致した結合媒体は、結合および構造的整合性（integrity）の両方を改善するために導入されてもよい。
【０１４２】
両方のチップは、源、操作および検出コンポーネントを含むいくつかの素子を包含できる。
【０１４３】
上記のものは、接合に関する方法により、分離チップ上の別の導波路の中へ、横方向の放射の結合を許容する。ユニットは、源、制御／論理ユニットおよび検出器の直接連結することを許容することを強められうる。チップは、III／Ｖおよびシリコン構造の間の連結することを許容する同じ物質である必要がない。
【０１４４】
本発明の実施形態に従うデバイスおよび方法は、集積回路に、改善された機械的安定性および小さいデバイス設置面積を与えるシングルチップで生成されることを許容する。
【０１４５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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